Hệ thống thông tin di động CDMA

Ta thấy rằng, công suất nhiễu đi qua bộ lọc P(i
wr
) = η
i
.B
n
so với công
suất toàn bộ nhiễu là :
P(i
wr
)=
w
n
B
B
P(i
w
)=
G
1
.P(i
w
) (1.1)
với G =
n
w
B
B
cho thấy mức độ bị nén của nhiễu, nó được gọi là hệ số
khuyếch đại xử lí.
Trong trường hợp công suất nhiễu quá lớn ta phải nén bớt nhiễu trước
khi thực hiện giải trải phổ tín hiệu. Có thể sử dụng một số thuật toán thích
hợp để tạo ra khe hẹp trong băng tần bị chiếm bởi nhiễu mà không gây ảnh
hưởng nhiều đến sự thay đổi các tham số của tín hiệu và nhiễu.
Tuy nhiên, việc tạo khe hẹp nhằm nén nhiễu sẽ làm một phần tín hiệu có
ích trong cùng băng tần sẽ bị mất đi, độ suy giảm tín hiệu là chấp nhận được
khi độ rộng băng tần nhiễu loại bỏ nhỏ hơn 20% độ rộng băng tần tín hiệu.
5
s
n
i
wr
B
n
f
Hình 1.3 Phổ của tín hiệu và nhiễu sau khi qua lọc băng hẹp
1.2.2 Khả năng loại trừ ảnh hưởng của truyền sóng nhiều tia
Trong môi trường truyền đa tia, tín hiệu thu bao gồm thành phần truyền
thẳng và các thành phần phản xạ từ môi trường truyền do các công trình nhân
tạo hoặc địa hình tự nhiên. Nói chung các thành phần tín hiệu này sẽ tương
tác với nhau dẫn đến làm giảm chất lượng của hệ thống. Giả sử rằng chỉ có
một tia không đi thẳng, ta có thể sử dụng mô hình có phương trình :
r(t) = A.b(t)c(t).cos(2
π
f
c
t ) + A’b’(t - τ).c’(t - τ).cos[2
π
f
c
(t - τ) +
θ
’] (1.2)
với τ’ là trễ truyền lan, A’= kA với k là hệ số suy giảm. Do đó, nhiễu do
thành phần không đi thẳng là
s
0
’=
2
1
cos (
θ
’)
∫
−−
T
dttctctkAb
0
//
)()()(
ττ
=±
)()cos(
2
//
τφθ
c
kAT
(1.3)
s
0
’= 0 khi
/
τ
>T
c
, vì vậy ảnh hưởng của truyền được loại bỏ hay trở
thành nhiễu nhỏ nếu độ lâu của chíp nhỏ hơn trễ truyền lan của đường không
đi thẳng.
Ta có thể giải thích kết quả trên quan điểm tần số, tín hiệu truyền thẳng
và các bản sao bị trễ của nó đều là tín hiệu băng rộng. Tín hiệu PN nội được
đồng bộ đến tín hiệu đi thẳng do đó tín hiệu truyền thẳng được giải trải phổ
còn tín hiệu trễ thì bị trải phổ. Sau bộ lọc băng hẹp chỉ một phần nhỏ tín hiệu
không truyền thẳng lọt qua và trở thành nhiễu. Như vậy tín hiệu không truyền
thẳng chỉ làm giảm SNR một ít.
1.2.3 Đa truy nhập phân chia theo mã
Đa truy nhập là một trong các đặc tính quan trọng của các hệ thống
thông tin trải phổ đang được sử dụng hoặc đang được đề xuất cho việc sử
dụng trong nhiều lĩnh vực như mạng thông tin cá nhân PCN, các mạng vùng
nội hạt vô tuyến …và đặc biệt là đối với hệ thống thông tin di động tế bào.
6
Các ứng dụng đa truy nhập giúp cho việc sử dụng băng tần một cách có
hiệu quả trong đó nhiều người sử dụng cùng chia xẻ một độ rộng băng tần
truyền dẫn. Ở hệ thống DS/SS máy thu sử dụng tín hiệu giả ngẫu nhiên chính
xác để lấy ra tín hiệu mong muốn bằng cách giải trải phổ. Ở các hệ thống FH/
SS và TH/SS mỗi người sử dụng được ấn định một mã giả ngẫu nhiên sao cho
không có cặp máy phát nào sử dụng cùng tần số hay cùng khe thời gian.
Giả sử rằng, có n người sử dụng cùng dùng chung một băng tần, khi này
tín hiệu mà mỗi máy thu thu được có thể biểu diễn:
s
i
=
∑
i
wi
s
=
∑
i
nii
s )(
ξ
(1.5)
Trong đó chỉ số i tương ứng với người sử dụng thứ i trong băng tần
chung và kí hiệu
i
ξ
() là phép trải phổ đối với tín hiệu của người thứ i.
Quá trình nén phổ trong máy thu thứ i được thực hiện :
(1.6)

Từ phương trình ta thấy, việc nén phổ sẽ tạo ra tín hiệu phổ hẹp khi i ≡ j
và tín hiệu phổ rộng
jwi
s

khi i ≠ j, qua lọc dải tín hiệu ban đầu được khôi
phục cùng với thành phần nhiễu mức thấp
jri
s

Như vậy, nhờ việc phân bổ mã duy nhất PN có thuộc tính tương quan
chéo thấp cho phép nhiều người sử dụng dùng chung một băng tần, các tín
hiệu của người sử dụng khác trở thành nhiễu giống tạp âm.
1.2.4 Dung lượng của hệ thống CDMA
Ở các hệ thống FDMA, TDMA tồn tại giới hạn cứng đối với số người sử
dụng cực đại nên hiệu suất của toàn hệ thống thấp. Ngược lại, với hệ thống
CDMA dung lượng của nó chỉ bị giới hạn mềm, nghĩa là số người sử dụng
cực đại không được giới hạn rõ ràng. Khi số người sử dụng tăng lên thì xác
7

-1
(s
wj
) =
-1
((s
nj
)) =
s
nj
với i ≡ j
s
wij
với i ≠ j
suất lỗi bít càng tăng, tức có thể thoả mãn được cuộc gọi thêm vào nhờ việc
tăng tỉ lệ lỗi bít cho tới khi các cuộc gọi hoàn thành.
Giả sử có K tín hiệu có cùng công suất P
k
tồn tại trên một băng tần, bỏ
qua tạp âm nhiệt và các thành phần nhiễu của những người sử dụng khác bị
nén bởi hệ số G thì tại đầu vào của máy thu bất kì là :
1−
=
K
G
y
b
(1.7)
Khi xét đến tạp âm nhiệt có công suất là
ρ
thì :
ρ
+−
=
)1(KP
GP
y
k
b
(1.8)
Dung lượng của hệ thống được tính là :

bb
y
G
y
G
K ≈
+
=
1
(1.9)
với y
b
là tỉ số tín trên tạp với tỉ số lỗi bít xác định của hệ thống. Như vậy,
dung lượng của hệ thống phụ thuộc vào mức tín hiệu nhiễu.
1.3 Các hệ thống thông tin trải phổ
Đặc điểm cơ bản của hệ thống thông tin trải phổ là phổ của tín hiệu được
mở rộng hàng trăm lần trước khi phát đi. Một hệ thống được coi là hệ thống
thông tin trải phổ nếu nó thoả mãn hai yêu cầu sau:
• Tín hiệu truyền đi chiếm một độ rộng băng truyền dẫn W lớn hơn
rất nhiều bề rộng băng tần tối thiểu B
i
cần thiết để truyền thông
tin.
• Việc trải phổ tín hiệu được thực hiện nhờ một mã độc lập với số
liệu.
Với các tín hiệu có độ rộng băng tần là W (Hz) và khoảng thời gian tồn
tại là T thì phân lượng phổ của nó là 2WT. Để tăng phân lượng phổ của nó có
thể thực hiện bằng hai cách là tăng độ rộng băng tần hoặc tăng khoảng thời
gian T
8
Khi tăng độ rộng băng tần W có nghĩa là mở rộng phổ tần tín hiệu trước
khi phát đi, có nhiều cách thực hiện khác nhau nhưng về cơ bản có hai
phương pháp chính : trải phổ dãy trực tiếp (DS/SS) và trải phổ nhảy tần (FH/
SS).
• Trải phổ chuỗi trực tiếp thực hiện bằng cách nhân tín hiệu nguồn
với tín hiệu giả ngẫu nhiên băng rộng, tích này trở thành một tín
hiệu băng rộng.
• Trải phổ nhảy tần thực hiện được bằng cách nhảy tần số sóng mang
trên một tập lớn các tần số.
Khi tăng khoảng thời gian, có nghĩa là một khối các bit số liệu được nén
và được phát ngắt quãng trong một hay nhiều khe thời gian của một khung
chứa số lượng lớn các khe thời gian. Một mẫu nhảy thời gian sẽ xác định các
khe thời gian nào được sử dụng để truyền dẫn trong mỗi khung. Do vậy, có
thể nói các khối bit bị trải theo thời gian và phương pháp này gọi là trải phổ
nhảy thời gian (TH/SS).
Ngoài ra, người ta có thể xây dựng các hệ thống lai ghép bằng cách kết
hợp các kỹ thuật DS, FH, TH để tận dụng các ưu điểm của từng kỹ thuật trải
phổ như DS/FH, FH/TH … Các hệ thống lai ghép này khá phức tạp nên
thường ứng dụng trong các hệ thống thông tin quân sự.
1.3.1 Hệ thống trải phổ chuỗi trực tiếp DS/SS
Tín hiệu DS/SS nhận được khi điều chế (nhân) bản tin bằng một tín hiệu
giả ngẫu nhiên băng rộng, tích này trở thành một tín hiệu băng rộng. Tín hiệu
ngẫu nhiên này được xem như là một dạng mã (mã ngẫu nhiên) hay còn gọi là
chuỗi giả tạp âm PN.
Từ sơ đồ khối của hệ thống, thấy rằng tại máy phát phổ của tín hiệu x(t)
được trải rộng nhờ nhân với mã trải phổ c(t) trước khi được phát đi. Tại máy
thu, quá trình khôi phục lại tín hiệu được thực hiện bằng cách nhân tín hiệu
thu được với bản sao của mã trải phổ c(t) rồi qua lọc dải thông để tách ra tín
9
hiệu mong muốn. Mô hình tổng quát của hệ thống trải phổ chuỗi trực tiếp
được cho trên hình 1.4.


Quá trình nén phổ tín hiệu làm cho mật độ công suất của tín hiệu thu
tăng lên, do đó tỉ số S/N cũng tăng. Đồng thời cũng trải rộng phổ của tín hiệu
nhiễu đầu vào làm cho mật độ công suất của nhiễu giảm xuống. Như vậy, trải
phổ tín hiệu làm tăng khả năng chống nhiễu cho tín hiệu trải phổ.
Ở hệ thống DS/SS, tín hiệu dùng để trải phổ được tạo ra từ chuỗi giả
ngẫu nhiên PN. Giả thiết chuỗi PN này là cơ số hai, thì tín hiệu PN có dạng :

)()(
cTck
kTtctc −Π=
∑
+∞
∞−
(1.10)
Trong đó Π
T
(t) là xung chữ nhật đơn vị, c
k
gọi là chíp và khoảng thời
gian T
c
giây được gọi là thời gian chíp. Để đơn giản ta mô hình hoá tín hiệu
PN là tín hiệu cơ số hai giả ngẫu nhiên, khi này ta xác định được hàm tự
tương quan tuần hoàn của nó với chu kì đầu là:
(1.11)
Trong phần này chủ yếu ta sử dụng hàm tam giác ở phương trình trên là
hàm tự tương quan của tín hiệu PN tham gia trải phổ tín hiệu DS/SS.
10
1 - với ≤ T
c
0 nếu khác

Bộ tạo mã
trải phổ c(t)
Dữ liệu
x(t)
s(t)
s(t)+n(t)
Bộ lọc
Dữ liệu
Bộ tạo mã
trải phổ c(t)
Tín hiệu không
mong muốn
Tín hiệu trải phổ
Hình 1.4 Mô hình của hệ thống trải phổ dãy trực tiếp
Ta đi xét phương thức trải phổ trực tiếp cho một số dạng tín hiệu điều
chế khác nhau.
1.3.1.1 Trải phổ dẫy trực tiếp tín hiệu điều chế pha nhị phân (DS/SS _BPSK)
Một dạng đơn giản của hệ thống trải phổ dãy trực tiếp là dữ liệu pha nhị
phân liên kết (BPSK) được nhân trực tiếp với dẫy mã trải phổ PN.Sơ đồ khối
máy phát DS/SS sử dụng BPSK mô tả ở hình 1.5
Số liệu vào nhận các giá trị ±1 được biểu diễn bằng biểu thức sau :
b(t)=
)( kTtb
Tk
−Π
∑
+∞
∞−
(1.12)
11
Tín hiệu PN cơ số
hai c(t)
Bản tin cơ số hai
b(t)
Bộ điều chế
(BPSK)
Sóng mang
A cos(2f
c
t +)
Tín hiệu DS/SS_BPSK
s(t)= A.b(t).c(t).cos(2f
c
t + )
b(t)
-1
1
0
T
2T 3T t
1
0
T
c
. . . NT
c
. . . 2NT
c
. . .
b(t).c(t)
-1
t
b(t)
-1
1
0
T
c
. . . NT
c
. . . 2NT
c
. . .
t
Một chu kì
(giả thiết T=N.T
c
)
s(t)
-A
A
T
c
. . . NT
c
. . . 2NT
c
. . .
t
(giả thiết sóng mang có và f
c
=1/T
c
)
Hình 1.5 Sơ đồ khối của máy phát DS/SS_BPSK
trong đó
k
b
= ±1 : bít số liệu thứ k và T là độ rộng một bít số liệu. Tín hiệu
b(t) được trải phổ bằng các tín hiệu PN {c(t)}bằng cách nhân hai tín hiệu này
với nhau. Tín hiệu nhận được b(t).c(t) sẽ điều chế cho sóng mang sử dụng
BPSK, tín hiệu DS/SS_BPSK nhận được là :
s(t) = A.b(t).c(t).cos(2
π
f
c
t +
θ
) (1.13)
dải thông của s(t) được xác định bởi c(t) và lớn hơn rất nhiều so với của tín
hiệu b(t) vì 1/T
c
>> 1/T ( T=N.T
c
).
Ở phía thu tín hiệu thu được bao gồm tín hiệu tín hiệu phát đi cộng với
tạp âm. Do tồn tại trễ truyền lan τ nên tín hiệu thu được có dạng :
s(t-τ)+n(t) = A.b(t -τ).c(t - τ). cos[2
π
f
c
(t - τ) +
θ
] +n(t) (1.14)
với n(t) là tạp âm của kênh và đầu vào máy thu. Sơ đồ máy thu được chỉ ra
trên hình 1.6.

Quá trình khôi phục lại bản tin ta giả thiết không có tạp âm, tín hiệu thu
được giải trải phổ để giảm băng tần rộng vào băng tần hẹp. Sau đó nó được
giải điều chế để nhận được tín hiệu băng gốc. Thực hiện giải trải phổ tín hiệu
bằng cách nhân tín hiệu thu với c(t - τ) được tạo ra ở máy thu, ta được :
w(t) = A.b(t - τ).c
2
(t - τ). cos(2
π
f
c
t +
θ
’
)
= A b(t - τ). cos(2
π
f
c
t +
θ
’
) (1.15)
12
Bộ tạo tín hiệu
PN nội
Bộ giải điều chế
(BPSK)
s(t)= A.b(t-τ).c(t-τ).
cos(2f
c
t + )
c(t-τ)
w(t)
cos(2f
c
t + )
Hình 1.6 Sơ đồ máy thu DS/SS _BPSK
vì c(t)= ±1,
θ
’
=
θ
- 2
π
f
c
τ. Tín hiệu nhận được là tín hiệu băng hẹp với độ
rộng băng tần là 2/T, sau đó tín hiệu này được đưa qua bộ giải điều chế BPSK
để lấy ra tín hiệu băng gốc.
1.3.1.2 Trải phổ trực tiếp tín hiệu khoá chuyển pha vuông góc (QPSK)
Ngoài việc sử dụng BPSK cho quá trình điều chế người ta còn dùng các
kiểu điều chế khác như dùng khoá chuyển pha vuông góc QPSK, khoá
chuyển cực tiểu MSK .
Với hệ thống DS/SS khi sử dụng kiểu điều chế QPSK với cùng một đầu
vào số liệu hoặc hai đầu vào độc lập điều chế các tín hiệu PN c
1
(t) và c
2
(t) ở
cả hai nhánh, tín hiệu DS/SS_QPSK có dạng :
s(t)= s
1
(t) + s
2
(t) = -A.b(t),c
1
(t).sin(2
π
f
c
t +
θ
) + A.b(t)c
2
(t).cos(2
π
f
c
t +
θ
)
=
2
.Acos(2
π
f
c
t +
θ
+
)(t
γ
) (1.16)
với
)(t
γ
=tan
-1






)().(
)().(
2
1
tbtc
tbtc
nhận các giá trị
4
π

,
4
3
π
,
4
5
π
,
4
7
π
tuỳ thuộc
vào tích c
1
(t).b(t) và c
2
(t).b(t) bằng ±1. Do đó tín hiệu s(t) cũng có 4 trạng thái
pha khác nhau:
θ
+
4
π

,
θ
+
4
3
π
,
θ
+
4
5
π
,
θ
+
4
7
π
.
Khi thực hiện giải trải phổ các thành phần đồng pha và vuông pha được
giải trải phổ độc lập với nhau bởi c
1
(t) và c
2
(t) trong đó tín hiệu PN c
1
(t) và
c
2
(t) có thể là hai tín hiệu độc lập hoặc được lấy từ cùng một tín hiệu PN.
* Ưu điểm của các hệ thống DS/SS_QPSK so với DS/SS_BPSK thể hiện
là độ rộng băng tần được sử dụng, PG tổng và tỉ số tín hiệu trên tạp âm SNR :
• Cùng một tín hiệu phát đi hệ thống DS/SS_QPSK chỉ sử dụng một
nửa băng tần so với DS/SS_BPSK với cùng PG và SNR, SNR
0
.
• Cùng một tín hiệu phát đi với cùng độ rộng băng tần và PG thì
DS/SS_QPSK ưu việt hơn DS/SS_BPSK về SNR dẫn đến xác
suất lỗi thấp hơn.
13
Ưu điểm của DS/SS_QPSK đạt được so với BPSK là nhờ tính trực giao
của các sóng mang sin
)2(
θπ
+tf
c
và cos
)2(
θπ
+tf
c
ở các nhánh đồng pha và
vuông góc.
Tuy vậy hệ thống DS/SS_QPSK khá phức tạp và đòi hỏi đồng bộ cao ở
phần thu nếu không sẽ xảy ra xuyên âm giữ hai nhánh làm giảm chất lượng
của hệ thống.
Trong thực tế ở một số hệ thống như IS –95 nhằm tăng tối đa dung
lượng của hệ thống trước khi tín hiệu đưa vào thực hiện trải phổ nó được mã
hoá bằng mã xoắn, điều chế trực giao bằng hàm Walsh để tăng khả năng
chống nhiễu và sử dụng tín hiệu PN có hai thành phần:
• Mã dài c
l
(t) dùng để phân biệt các tế bào là tăng tính ngẫu nhiên .
• Mã ngắn c
s
(t) dùng tăng khả năng đồng bộ.
1.3.1.3 Hiệu năng của các hệ thống DS/SS
* Ảnh hưởng của tạp âm trắng cộng(AWGN)
Ta đi xem xét hiệu năng của hệ thống DS/SS trong môi trường tạp âm
Gausse trắng cộng và nhiễu đồng thời khảo sát nhiễu giao thoa nhiều người
sử dụng gây ra do các tín hiệu DS khác và nhiễu tự gây do truyền nhiều tia.
Một cách tổng quát ta coi tín hiệu thu được bao gồm các thành phần :
r(t) = A.b(t)c(t).cos(2
π
f
c
t ) + A
’
b
’
(t - τ).c
’
(t - τ).cos[2
π
f
c
(t - τ) +
θ
’
]
+n(t)+j(t) (1.17)
Để đánh giá được tỉ số công suất trên công suất tạp âm (SNR
0
) ta giả
thiết rằng trễ truyền lan τ bằng không, không có nhiễu phá j(t) và nhiễu giao
thoa, tạp âm là tạp âm Gause (AWGN) có PSD bằng N
0
/2, tạp âm của kênh là
n
0
, s
0
là tín hiệu mong muốn.
s
0
cho mỗi bít số liệu là :
s
0
=±
2
AT
(1.18)
14

Xem chi tiết: Hệ thống thông tin di động CDMA